Schweißen, Werkstoffauswahl - H.EUEN SCHWEISSTECHNIK GmbH

Merkblatt 823
Schweißen von Edelstahl Rostfrei
Informationsstelle Edelstahl Rostfrei
Die Informationsstelle Edelstahl
Rostfrei
Impressum
Inhalt
Schweißen von Edelstahl Rostfrei
3. Auflage 2000
1
2
2.1
Die Informationsstelle Edelstahl
Rostfrei (ISER) ist eine Gemeinschaftsorganisation von
- Edelstahlherstellern,
- Edelstahlverarbeitern,
- Edelstahlhändlern,
- Legierungsmittelproduzenten,
- Oberflächenveredlern,
- sonstigen mit Edelstahl Rostfrei
befaßten Unternehmen und
Organisationen.
Herausgeber:
Informationsstelle
Edelstahl Rostfrei
Postfach 10 22 05
40013 Düsseldorf
Telefon: 0211 / 67 07-8 36
Telefax: 0211 / 67 07-3 44
Internet: www.edelstahl-rostfrei.de
E-Mail: info@edelstahl-rostfrei
Die Aufgaben der ISER umfassen
die firmenneutrale Information über
Eigenschaften und Anwendung
von Edelstahl Rostfrei. Schwerpunkte der Aktivitäten sind
- praxisbezogene, zielgruppenorientierte Publikationen,
- Pressearbeit für Fach- und
Publikumsmedien,
- Messebeteiligungen,
- Durchführung von Schulungsveranstaltungen,
- Information über Bezugsmöglichkeiten von Produkten aus
Edelstahl Rostfrei,
- individuelle Bearbeitung technischer Anfragen.
Ein aktuelles Schriftenverzeichnis
wird auf Anforderung gerne übersandt.
Autoren:
Dipl.-Ing. L. Faust, Dortmund
Dr. D. Grimme, NL-CV Bochltz
Dr.-Ing. M. Nagel, Aachen
Dipl.-Ing. S. Nestler, Hamm
Dipl.-Ing. SFI H.-D. Prinz,
Eisenberg
Dr. F.W. Strassburg, Kempen
Dipl.-Ing. Rainer Trillmich,
Meinerzhagen
Dr. G. Uhlig, Krefeld
Dr.-Ing. H. Wehner, Trebur
Abbildungen:
Stefan Elgaß,
Geretsried
Krupp Thyssen Nirosta GmbH,
Krefeld
Thyssen Laser-Technik GmbH,
Aachen
Bilder 3, 4, 5, 6 wiedergegeben mit
Erlaubnis des DIN Deutsches
Institut für Normung e.V.
Maßgebend für das Anwenden der
Normen ist deren Fassung mit dem
neuesten Ausgabedatum, die bei
der Beuth Verlag GmbH,
Burggrafenstraße 6, 10787 Berlin,
erhältlich ist.
Die in dieser Broschüre enthaltenen Informationen vermitteln
Orientierungshilfen. Gewährleistungsansprüche können hieraus
nicht abgeleitet werden.
Nachdrucke, auch auszugsweise,
sind nur mit Genehmigung des
Herausgebers gestattet.
2.2
3
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.2
3.2.1
3.2.2
4
4.1
4.2
4.3
5
5.1
5.2
6
6.1
6.2
6.3
6.4
7
8
9
9.1
9.2
9.3
10
11
Seite
Einleitung
1
Grundwerkstoffe
1
Metallkundliche Merkmale
der nichtrostenden Stähle in
bezug auf das Schweißen 1
Korrosionseigenschaften 2
Schweißverfahren
3
Schmelzschweißen
4
Lichtbogenhandschweißen
mit umhüllter
Stabelektrode
4
Schutzgasschweißen
4
Wolfram-Inertgasschweißen
(WIG)
Plasmalichtbogenschweißen
(WPL)
Metall-Schutzgasschweißen
(MSG)
Laserstrahlschweißen
6
Unterpulverschweißen (UP) 9
Preßschweißverfahren
9
Widerstandspreßschweißen
9
Bolzenschweißen
11
Schweißzusätze
14
Schweißzusätze für
austenitische Stähle
14
Schweißzusätze für
ferritisch-austenitische
Stähle
14
Schweißzusätze für
ferritische Stähle
14
Vorbereiten und Ausführen
der Schweißarbeiten
14
Schweißnahtvorbereitung 14
Schweißausführung
16
Nachbehandlung von
Schweißverbindungen
16
Bürsten
16
Schleifen und Polieren
17
Strahlen
17
Beizen
17
Artverschiedene
Verbindungen
17
Schweißen auf der
Baustelle
18
Schweißaufsicht,
Eignungsnachweise
19
Gütesicherung der Schweißarbeiten, Anforderungen
an die Betriebe
19
Voraussetzungen für den
Eignungsnachweis zum
Schweißen nichtrostender
Stähle
19
Schweißerprüfung für
nichtrostende Stähle
19
Schrifttum
19
Normen und Regelwerke 20
1 Einleitung
„Edelstahl Rostfrei“ ist ein Sammelbegriff für die nichtrostenden Stähle.
Diese enthalten mindestens 10,5%
Chrom. Höhere Chromgehalte und
weitere Legierungsbestandteile,
insbesondere Nickel, Molybdän,
Titan und Niob, verbessern die
Korrosionsbeständigkeit und
beeinflussen auch die mechanischen Eigenschaften.
umfangreich für zahlreiche Anwendungen eingesetzt. Für diese
Sorten werden in der vorliegenden
Schrift allgemeine Erfahrungen
und Empfehlungen zum
Schweißen gegeben. Bei speziellen Fragen sind die Hersteller der
Stähle und der Schweißzusätze zu
weiteren Auskünften bereit.
Die Angaben zu den Grund- und
Zusatzwerkstoffen entsprechen
den europäischen und den deut-
Stahlsorte
Kurzname
Werkstoff-Nr.
unlegierter Baustoff
X5CrNi18-10
X6CrNiTi18-10
X4CrNiMo17-12-2
X6CrNiMoTi17-12-2
X2CrNiMo18-14-3
X2CrNiMoN17-13-5
X1NiCrMoCu25-20-5
X2CrNiMoN22-5-3
X2CrNi12
X6Cr17
X3CrNb17
X2CrTi12
1.4301
1.4541
1.4401
1.4571
1.4435
1.4439
1.4539
1.4462
1.4003
1.4016
1.4511
1.4512
Bei allen Rostfrei-Sorten beruht die
Korrosionsbeständigkeit auf der
Passivität der Werkstückoberfläche, die sich bei Anwesenheit
von Sauerstoff in dem umgebenden Medium (z.B. Luft) ausbildet.
Diese Passivschicht ist ein optisch
nicht erkennbarer, dünner amorpher Film von etwa 10 -5 mm Dicke.
Nach Beschädigung der Passivschicht bildet sich diese neu,
solange Sauerstoff aus der Umgebung zur Verfügung steht.
Wärmeleitfähigkeit
bei 20 °C
W/(m · K)
elektr.
Widerstand
bei 20 °C
Ω · mm2 /m
Wärmeausdehnung
zwischen 20 und 100 °C
50
0,22
12,0
0,73
16,0
0,75
0,85
1,00
0,80
16,5
14
12
15
25
0,60
10-6 · K-1
15
15,8
12,0
10,5
10,0
10,0
10,5
Tabelle 1: Einige für das Schweißen wichtige physikalische Eigenschaften ausgewählter nichtrostender Stähle im
Vergleich zu unlegiertem Baustahl
2.1 Metallkundliche
Merkmale der nichtrostenden Stähle in
bezug auf das
Schweißen
Edelstahl Rostfrei hat in seiner
fast 90jährigen Geschichte wegen
seiner hohen Korrosionsbeständigkeit, guten mechanischen
Eigenschaften und ausgezeichneten Verarbeitbarkeit wesentliche
Bedeutung für Industrie und
Wirtschaft erlangt.
schen Normen bzw. Stahl-EisenWerkstoffblättern und den DVSMerkblättern.
Weltweit werden jährlich über 15
Millionen Tonnen rostfreier Stähle
erzeugt, der überwiegende Teil in
Form von Flachprodukten, aber
auch als Stangen, Drähte, Rohre,
Schmiedestücke und Formguß.
Die vorliegende Schrift behandelt
das Schweißen von ausgewählten,
häufig verwendeten Stählen aus
den Gruppen der austenitischen
Chrom-Nickel-(Molybdän)-Stähle,
der ferritisch-austenitischen
(Duplex-)Stähle und der ferritischen
Stähle (Tabelle 1).
Die hier erfaßten Chromstähle
haben ein ferritisches Gefüge mit
kubisch-raumzentriertem Gitter,
die Chrom-Nickel-Stähle ein austenitisches Gefüge mit kubischflächen-zentriertem Gitter.
Ferritisch-austenitische Stähle wie
z.B. der Stahl mit der WerkstoffNr. 1.4462 haben ein Mischgefüge
aus Ferrit und Austenit.
Weitergehende Angaben zu den
Grundwerkstoffen enthalten die
Broschüren der Informationsstelle
Edelstahl Rostfrei „Edelstahl Rostfrei-Eigenschaften (MB 821)“ und
„Die Verarbeitung von Edelstahl
Rostfrei (MB 822)“.
Die beiden Gefügearten weisen
neben der unterschiedlichen
Korrosionsbeständigkeit der Stähle unterschiedliche Festigkeitsund Umformeigenschaften auf, die
auch für das Schmelzschweißen
der Stähle von Bedeutung sind.
Alle diese Erzeugnisse werden
vorwiegend durch Schmelzschweißen, in geringerem Umfang
durch Widerstandsschweißen
und Löten gefügt.
Von der großen Zahl weltweit
genormter Stähle (z.B. EN 10 088)
werden einige Sorten besonders
2 Grundwerkstoffe
1
Die ferritischen Chromstähle,
insbesondere die nichtstabilisierten Sorten, haben eine geringere
Bruchdehnung und Zähigkeit, die
beim Schweißen größere Aufmerksamkeit in bezug auf Schweißzusatz, -verfahren und Wärmeeinbringen erfordert, um Risse beim
Schweißen zu vermeiden.
Das Gundgefüge der nichtrostenden austenitischen Standardstähle
ist im Walz- und Schmiedezustand
vollaustenitisch, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen
Temperaturen. Die chemische
Zusammensetzung der Stähle ist
so abgestimmt, daß im Schweißgut kleine Anteile von Deltaferrit
entstehen. Diese wirken einer
Heißrißanfälligkeit entgegen.
Die Anteile des Deltaferrits sind in
erster Linie von dem Verhältnis der
Ferritbildner Cr, Mo, Si und Nb zu
den Austenitbildner Ni, C, Mn und
N abhängig und lassen sich mit
Hilfe des Schaeffler-Diagramms
(Bild 1) näherungsweise bestimmen.
Das DeLong-Diagramm ist ein
Ausschnitt aus dem Schaeffler
Diagramm, das die Wirkung des
Stickstoffes auf die Austenitbildung berücksichtigt und für
Ferrit-Nummern bis FN 18 angewendet werden kann.
Genauere Angaben der Ferritnummern bis FN 100 ermöglicht
das WRC-Diagramm und damit
auch die Abschätzung des Ferritgehaltes im Schweißgut von
Duplex-Stählen. Aber auch das
WRC-Diagramm liefert nur (bessere) Anhaltswerte. Demgegenüber
enthalten die vollaustenitischen
Stähle mit den Werkstoff-Nrn.
1.4439 und 1.4539 keinen Ferrit
und können unter bestimmten
Bedingungen (s. Abschnitt 4.1 und
5.2) zur Heißrißbildung neigen.
Während Risse bei den ferritischen
Stählen in bezug auf ihre Kerbwirkung (z.B. bei Dauerschwingbeanspruchung) kritisch sind,
spielen Mikrorisse in austenitischen Schweißnähten für das
Festigkeits- und Schwingverhalten wegen der großen Zähigkeit
der Stähle im allgemeinen keine
Rolle.
2
Bild 1: Schaeffler-Diagramm für Verbindungsschweißungen
2.2
Korrosionseigenschaften
In passivem Zustand sind die
nichtrostenden Stähle gegen zahlreiche aggressive Medien beständig und bedürfen keines weiteren
Oberflächenschutzes. Es ist aber
wichtig, daß die Passivschicht
nicht defekt ist, insbesondere
durch Anlauffarben und/oder Zunder im Bereich der Wärmeeinflußzonen der Schweißnaht.
Vom Hersteller werden die Erzeugnisse (Bänder, Bleche, Stangen,
Rohre u.a.) mit passivierter Oberfläche geliefert. Häufig werden die
blanken Bleche noch mit Folie
oder Abziehlack gegen Beschädigung geschützt.
Wichtige Korrosionsarten:
Flächenkorrosion ist durch einen
gleichmäßigen oder annähernd
gleichmäßigen Werkstoffabtrag
Bild 2: WRC-1992-Diagramm mit Angabe der Ferritnummern
gekennzeichnet. In der Regel wird
eine Abtragung unter 0,1 mm/Jahr
als ausreichende Beständigkeit
gegen Flächenkorrosion zugelassen. Wenn anstelle der Abtragungsrate die Massenverlustrate
pro Flächeneinheit als Maßgröße
benutzt wird, so gilt bei nichtrostendem Stahl für die Umrechnung die Beziehung 1 g/h · m2 =
1,1 mm/a. Ungleichmäßige
Flächenkorrosion wird als Muldenkorrosion bezeichnet.
Für die Beständigkeit nichtrostender Stähle gegen Flächenkorrosion
gibt es zahlreiche Beständigkeitstabellen und -diagramme. Gleichmäßige Flächenkorrosion kann bei
nichtrostenden Stählen in Säuren
und starken Laugen auftreten; sie
wird von der Stahlzusammmensetzung wesentlich mitbestimmt. Die
13%-Chromstähle liegen an der
unteren Grenze, die 17%-Chromstähle sind wesentlich beständiger.
Eine noch höhere Beständigkeit
gegen Flächenkorrosion zeigen die
austenitischen Cr-Ni-Stähle.
Molybdän verbessert die Beständigkeit gegen chloridhaltige Medien und nichtoxidierende Säuren.
Auch der Oberflächenzustand
spielt eine Rolle: Glattere Oberflächen ergeben im allgemeinen eine
bessere Korrosionsbeständigkeit.
Gegen interkristalline Korrosion
sind die austenitischen Stähle
mit einem niedrigen C-Gehalt
(≤ 0,03% C) und die mit Titan oder
Niob stabilisierten Stähle auch bei
größeren Wanddicken (> 6 mm)
ohne Wärmenachbehandlung
sicher. Diese Stahlsorten sollten
deshalb für geschweißte Bauteile
bevorzugt werden.
Nichtrostende Stähle mit C-Gehalten >0,03% können bei Wanddicken oberhalb 6 mm - abhängig
von der Korrosionsbeanspruchung
- ohne Wärmenachbehandlung
interkristalline Korrosion zeigen,
bevorzugt im Schweißnahtbereich.
Dabei tritt durch Ausscheiden von
Chromkarbiden an den Korngrenzen eine Chromverarmung ein, die
zu Kornzerfall führen kann.
Lochkorrosion (Pitting) kann eintreten, wenn die Passivschicht
örtlich beschädigt wird; an diesen
Stellen können Grübchen oder
Löcher entstehen, wenn Chloridionen (oder andere Halogenionen),
besonders bei erhöhten Temperaturen, die Oberfläche angreifen.
Auch Ablagerungen auf der Oberfläche, z.B. Fremdrost, Schlackenreste, Anlauffarben, können zu
Lochkorrosion führen.
Spaltkorrosion kann eintreten,
wenn sich in Spalten ein Korrosionsmedium anreichert. Unter
aggressiven Bedingungen sind mit
Molybdän legierte Rostfrei-Stähle
besser beständig. Spalte sollten
nach Möglichkeit konstruktiv vermieden werden.
Kontaktkorrosion ist eine Korrosionsart, die auftreten kann, wenn
sich zwei unterschiedliche metallische Werkstoffe in Anwesenheit
eines flüssigen Mediums, das als
Elektrolyt wirkt, in Kontakt befinden. Der weniger edle Werkstoff
(Anode) wird an der Kontaktstelle
angegriffen und geht in Lösung.
Der edlere Werkstoff (Kathode)
wird nicht angegriffen. In der Praxis, besonders im Stahlbau, sind
die nichtrostenden Stähle die edleren Werkstoffe gegenüber vielen
anderen metallischen Werkstoffen
wie unlegierten und niedrig legierten Stählen und Aluminium. Kontaktkorrosion ist besonders dann
kritisch, wenn die Oberfläche des
edleren Werkstoffes groß ist im
Verhältnis zur Oberfläche des
weniger edlen Werkstoffes. Je
größer der Potentialunterschied
der beiden Werkstoffe ist, desto
höher ist das Risiko von Kontaktkorrosion. Schäden lassen sich
vermeiden, indem die beiden
Werkstoffe gegeneinander isoliert
werden. Bei deutlichen Größenunterschieden der Werkstückoberflächen der Paarung muß die
kleinere Fläche aus dem edleren
Werkstoff, die größere Fläche aus
dem weniger edlen Werkstoff
bestehen. Typisches Beispiel:
Edelstahl-Rostfrei-Schrauben an
Aluminium-Fassaden vermeiden
Kontaktkorrosion.
Spannungsrißkorrosion ist eine
Korrosionsart, die im Bauwesen
kaum auftritt. Bei Spannungsriß-
korrosion entstehen transkristalline
Risse bevorzugt bei austenitischen
Stählen, selten bei ferritischen
Stählen, wenn chloridhaltige
Medien bei erhöhten Temperaturen
unter Zugspannung auf den Werkstoff einwirken. Ferritisch-austenitische Stähle und austenitische
Stähle mit höheren Nickelgehalten
sind weniger empfindlich gegen
Spannungsrißkorrosion als austenitische Stähle mit 8 bis 12% Ni.
Schwingungsrißkorrosion ist
eine Sonderform der Spannungsrißkorrosion bei Beanspruchung
auf Schwingfestigkeit. Korrosionsmedien können die Schwingfestigkeit herabsetzen. Die höher legierten nichtrostenden Stähle (z.B. mit
Molybdän) sind besser beständig
gegen Schwingungsrißkorrosion
als die Standardgüten.
3 Schweißverfahren
Mit wenigen Einschränkungen
können die austenitischen und ferritischen nichtrostenden Stähle mit
denselben Schmelz- und Preßschweißverfahren (ausgenommen
Gasschmelzschweißen) und
Schweißanlagen gefügt werden,
die für un- und niedriglegierte
Stähle üblich sind. Folgende
Schweißverfahren werden vorwiegend angewendet:
Schmelzschweißverfahren:
- Lichtbogenhandschweißen (EH),
- Schutzgasschweißen:
- Wolfram-Schutzgasschweißen (WSG),
- Metall-Schutzgasschweißen
(MSG),
- Plasma-Lichtbogenschweißen (WPL),
- Laserstrahlschweißen,
- Unterpulverschweißen (UP).
Preßschweißverfahren:
- Widerstandspreßschweißen
(Punkt-, Rollennaht- und
Abbrennstumpfschweißen),
- Bolzenschweißen.
3
3.1
Schmelzschweißen
3.1.1
Lichtbogenhandschweißen mit umhüllter
Stabelektrode
Bild 3 zeigt schematisch das
Lichtbogenhandschweißen.
Das Lichtbogenhandschweißen
Wechselstrom verschweißbar. Die
Schlacke läßt sich leicht entfernen,
zum Teil ist sie selbstlösend.
Wegen der besseren Schweißeigenschaften werden wesentlich
mehr rutilumhüllte Stabelektroden
verarbeitet als die nachfolgend
beschriebenen mit basischer
Hülle.
Wurzelnähte eingesetzt. Im Vergleich
zu den rutilumhüllten Stabelektroden ist hier die Naht grobschuppiger und die Schlacke vergleichsweise schlechter zu entfernen.
Bei beiden Hüllentypen ist mit
möglichst kurzem Lichtbogen zu
arbeiten.
Wegen des höheren elektrischen
Widerstandes des hochlegierten
Kernstabes müssen diese Stabelektroden mit niedrigerer Stromstärke verschweißt werden als
Baustahlelektroden.
Bild 3: Lichtbogenhandschweißen (DIN 1910-2 Ausgabe 08.77, Bild 24)
besitzt aufgrund der nachfolgend
aufgeführten Vorteile einen hohen
Stellenwert beim Schweißen nichtrostender Stähle:
- einfache Handhabung,
- geringer Geräteaufwand,
- universell in der Werkstatt und
auf der Baustelle einsetzbar,
- breites Angebot an Spezialelektroden für unterschiedliche
Anwendungsfälle,
- auch für Zwangspositionen
sicher einsetzbar,
- niedriges Wärmeeinbringen
(wichtig für vollaustenitische
Stähle).
Basisch umhüllte Elektroden sind
ausschließlich mit Gleichstrom
(Elektrode am Pluspol) verschweißbar. Wegen des gröberen Tropfenüberganges lassen sie sich gut in
Zwangspositionen schweißen.
Aufgrund ihrer guten Spaltüberbrückbarkeit werden sie häufig für
Feuchtigkeit in der Elektrodenumhüllung kann Schweißverhalten
und Schlackenabgang verschlechtern sowie zu offenen Poren und
bei empfindlichen Stählen (z.B.
Feinkornstähle, nichtrostende ferritische Stähle) zu Kaltrissen führen.
Basisch umhüllte hochlegierte
Stabelektroden sind weniger porenempfindlich als rutilumhüllte.
Für Transport, Lagerung und Rücktrocknung umhüllter Stabelektroden gibt das Merkblatt DVS 0504
Hinweise.
3.1.2 Schutzgasschweißen
Beim Schutzgasschweißen brennt
der Lichtbogen unter einem Mantel
von inertem oder aktivem Schutzgas, der die Umgebungsluft von
Lichtbogen und Schweißbad fernhält. Zu den Wolfram-Schutzgas-
Schweißverhalten und Nahtaussehen werden maßgeblich von der
Umhüllung bestimmt. Für die
nichtrostenden Stähle werden rutilumhüllte und basische Stabelektroden verwendet.
Rutilumhüllte Elektroden haben
einen feintropfigen Werkstoffübergang und führen zu feinschuppigen, glatten und flachen Nähten.
Sie sind sowohl an Gleichstrom
(Elektrode am Pluspol) als auch an
4
Bild 4: Wolfram-Inertgasschweißen (DIN 1910-4 Ausgabe 04.91, Bild 1)
Schweißverfahren (WSG) gehören
die Verfahren WIG und WPL.
Wolfram-Inertgasschweißen
(WIG)
Das WIG-Schweißen (Bild 4) ist im
Merkblatt DVS 0920 beschrieben.
Als Schutzgas dient Schweißargon
(DIN EN 439), für die austenitischen Stähle können bei maschinellen Verfahren zum Erhöhen der
Schweißgeschwindigkeit auch
handelsübliche Argon-Wasserstoff-Mischgase (R 2 nach
DIN EN 439) verwendet werden.
Geschweißt wird mit Gleichstrom,
die nichtabschmelzende Wolframelektrode ist mit dem Minuspol
verbunden. Das WIG-Schweißen
eignet sich für alle Schweißpositionen und besonders gut für dünne
Bleche und Wurzellagen. Bis zur
Blechdicke von ca. 3 mm können
die austenitischen Stähle mit den
Werkstoff-Nrn. 1.4301, 1.4541,
1.4401 und 1.4571 auch ohne
Schweißzusatz verbunden werden.
Für die Stähle mit den WerkstoffNrn. 1.4435, 1.4439, 1.4539 und
1.4462 wird die Verbindung vorwiegend mit Schweißzusatz ausgeführt.
Bild 5: Plasmalichtbogenschweißen (DIN 1910-4 Ausgabe 04.91, Bild 3)
Plasmalichtbogenschweißen
(WPL)
Das Plasmalichtbogenschweißen
(Bild 5) ist mit dem WIG-Verfahren
eng verwandt. Durch die scharfe
Bündelung des Lichtbogens wird
eine wesentlich höhere Energiedichte erreicht.
können. Für das äußere Schutzgas
werden meist Argon-WasserstoffGemische verwendet. Das Plasmaschweißen wird überwiegend
als mechanisiertes Verfahren eingesetzt:
- Mikroplasmaschweißen für den
Dickenbereich bis 1 mm,
- Stichlochschweißen: Blechdicken bis ca. 10 mm können
als I-Stoß durchgeschweißt
werden (Tabelle 2). Für größere
Blechdicken wird eine Y-Naht
mit einer Steghöhe von ca. 5mm
gewählt. Der verbleibende Querschnitt wird nach anderen Verfahren gefüllt.
Als Plasmagas dient Schweißargon, dem beim Schweißen von
Austeniten geringe Anteile von
Wasserstoff zugemischt werden
Meist wird ohne Schweißzusatz
gearbeitet, Spaltbreiten >0,08 x
Blechdicke erfordern Schweißzusatz.
Blechdicke
mm
Schweißstromstärke
A
Mikroplasmaschweißen von Hand
0,1
2,5
0,5
18,0
1,0
40,0
Mechanisches Plasma-Stichlochschweißen
2,5
180
5,0
230
10,0
340
Vorteile des Plasmaschweißens
sind:
- hohe Schweißgeschwindigkeit,
- schmale Raupe und schmale
Wärmeeinflußzone (WEZ),
- geringes Wärmeeinbringen,
- geringer Verzug.
Von Nachteil sind:
- aufwendigere Schweißanlage im
Vergleich zu WIG,
- genaue Nahtvorbereitung
erforderlich,
- Spannvorrichtungen und Fahrwerk erforderlich.
Metall-Schutzgasschweißen
(MSG)
Bei nichtrostenden Stählen wird
fast ausschließlich das MetallAktivgas-Schweißen (MAG) angewendet.
Düsendurchmesser
mm
Plasmagas
L/min.
Schutzgas
L/min.
Schweißgeschwindigkeit
cm/min
0,8
1,0
1,2
0,2
0,3
0,3
5,0
7,0
7,0
20
25
25
2,8
3,2
4,0
2,4
2,5
4,0
15,0
20,0
20,0
50
45
22
Tabelle 2: Richtwerte für I-Nähte (ohne Spalt) zwischen austenitischen Stählen in w-Position
5
Impulslichtbogen ist das Wärmeeinbringen ebenfalls verringert; mit
ihm lassen sich sowohl dünne Bleche als auch größere Wanddicken
(diese auch in Zwangsposition)
vorteilhaft fügen.
Fülldrahtelektroden sind mit
jedem üblichen MSG-Gerät verschweißbar; dabei kann dieselbe
Vorschubeinheit benutzt werden
wie für Massivdraht. Es besteht
sehr geringe Spritzerneigung, die
Raupen fließen flach und kerbfrei
an und ihre Oberfläche ist glatt und
nur leicht geschuppt. Die besonderen Eigenschaften der beiden
üblichen Fülldraht-Typen sind in
Tabelle 3 gegenübergestellt.
3.1.3 Laserstrahlschweißen
Bild 6: Metall-Schutzgasschweißen (DIN 1910-4 Ausgabe 04.91, Bild 5)
Der Schweißstrom wird der
abschmelzenden Drahtelektrode
im Schweißbrenner durch schleifenden Kontakt zugeführt (Bild 6).
Im Vergleich zum WIG-Schweißen
lassen sich hohe Abschmelzleistungen erreichen. Verwendet werden sowohl Massiv- als auch Fülldrahtelektroden. Die Drahtdurchmesser liegen meist zwischen 0,8
bis 1,6 mm. Geschweißt wird mit
Gleichstrom, Drahtelektrode am
Pluspol.
Für Massivdrahtelektroden wird
als Schutzgas üblicherweise Argon
mit 1 bis 3 % Sauerstoff oder mit
max. 2,5 % CO2 verwendet.
(Höhere CO2-Gehalte können zu
einer Aufkohlung des Schweiß-
gutes führen und vermindern
dadurch die Korrosionsbeständigkeit.) Die Drahtelektroden können
je nach Anwendungsfall im Sprüh-,
Kurz- und lmpulslichtbogen verschweißt werden:
In Wannen- und Horizontalposition
wird in der Regel mit dem Sprühlichtbogen gearbeitet, der bei
geringer Spritzerneigung einen
kurzschlußfreien, feinsttropfigen
Werkstoffübergang ergibt. Der
Kurzlichtbogen wird angewendet,
wenn geringes Wärmeeinbringen
gefordert ist, z.B. für dünne
Bleche, Wurzellagen und in
Zwangspositionen. Von Nachteil
sind Spritzerneigung (festhaftend)
und überhöhte Raupe. Mit dem
Neben den konventionellen
Schweißverfahren hat sich das
Laserstrahlschweißen als neues,
leicht automatisierbares Fügeverfahren etabliert. Nach DIN 1910
Teil 2 wird das Laserstrahlschweißen den Schmelzschweißverfahren zugeordnet. Durch
fokussierte Laserstrahlung wird
das Metall lokal eng begrenzt
aufgeschmolzen und durch
Erzeugung einer Dampfkapillare
(Keyhole) ein Tiefschweißeffekt
erzeugt (Bild 7). Die erzielten
Schweißnähte sind daher wesentlich schlanker als vergleichbare
Schweißnähte konventioneller
Schweißverfahren. Durch die
Anwendung von Hochleistungslasern im Multikilowatt-Bereich können so Blechdicken bis zu 15 mm
und mehr verschweißt werden.
Aufgrund der lokal begrenzten
Typ der Fülldrahtelektrode
schlackenlos
Stahlmantel
Füllung
Lichtbogen
un- oder niedriglegiert
Metallpulver
Sprüh-, Kurz- und Impulslichtbogen
Schutzgas
Argon + 1 bis 3% O2
Argon + max. 2,5% CO2
hohe Abschmelzleistung und tiefer Einbrand
Schweißtechnische
Eigenschaften
keine Schlacke, daher zum vollmechanisierten Mehrlagenschweißen
gut geeignet
Tabelle 3: Eigenschaften üblicher Fülldrahttypen
6
schlackenbildend
CrNi(Mo)-Stahl
Metallpulver + Schlackenbildner
Sprüh- und Kurzlichtbogen, nicht für
Impulslichtbogen
Argon + O2
Argon + CO2
geringer Einbrand und weicher Lichtbogen
leicht abhebende Schlacke
Werkstücken von 1 mm bis ca.
15 mm.
Bild 7: Prinzip Schweißen mit Laser
Wärmeeinbringung und der
schnellen Wärmeabfuhr aus der
Schweißnaht ergeben sich spezifische Eigenschaften von Laserschweißnähten:
- schmale Schweißnähte mit
großem Tiefen/Breitenverhältnis,
- sehr schmale Wärmeeinflußzone,
- geringer thermischer Verzug,
- gute Umformbarkeit.
Im industriellen Einsatz stehen
heute zwei Lasertypen zum
Schweißen von Edelstählen zur
Verfügung:
CO2-Laser
Der CO2-Laser ist im kW-Bereich
bis zu 25 kW-Laserleistung kommerziell verfügbar und eignet sich
gut für das Verschweißen von
Beim CO2-Laser wird die Laserstrahlung über Spiegeloptiken auf das
Werkstück fokussiert. Der Schweißprozeß wird durch ein Schutzgas
wie Helium, Argon oder ein Gasgemisch unterstützt. Durch den
Schweißprozeß baut sich über dem
Keyhole ein laserinduziertes Plasma
auf, das bei geeigneter Steuerung
durch das Schutzgas den Schweißprozeß unterstützt. Bild 8 zeigt eine
Darstellung des Schweißprozesses
an speziell konfektionierten Edelstahlprofilen (tailored beams).
Aufgrund der starren Strahlführung
über Spiegelelemente stellen
Schweißanlagen mit CO2-Laser
eine komplexe Anlagenlösung dar.
Bild 9 ist eine graphische Darstellung der zum Schweißen notwendigen Laserleistung in Abhängigkeit von der Einschweißtiefe.
Nd:YAG-Laser
Aufgrund der verfügbaren Laserleistungen von ca. 100 W bis 5 kW
wird der Nd:YAG-Laser vorwiegend zur Feinbearbeitung von
Komponenten aus Edelstahl und
zum Verschweißen von Blechdicken von 0,2 bis ca. 4 mm einge-
Bild 8: Schweißprozeß mit CO2 -Laser an speziell konfektionierten Edelstahlprofilen (tailored beams)
7
Bild 9: Einfluß von Leistung und Fokussierung auf den Schweißprozeß am Beispiel eines 3-mm-Bleches
setzt. Die Laserstrahlung wird im
Unterschied zu den CO2-Lasern
von der Strahlquelle zur Bearbeitungsoptik über Glasfaserkabel
geführt. Die Bearbeitungsoptik ist
ein Quarzlinsensystem, das die
Laserstrahlung auf das Werkstück
fokussiert. Durch die Strahlführung
über Glasfaserkabel wird eine Verknüpfung mit Knickarmrobotern für
die Führung der Fokussieroptik
ermöglicht. Dadurch wird eine sehr
hohe Flexibilität für die dreidimensionale Bearbeitung gewährleistet.
Bild 10 zeigt das Verschweißen
von Edelstahlbehältern aus
0,7 mm dickem Blech der Qualität
1.4301 mittels Roboterarm.
Aufgrund der schmalen Nahtgeometrie ist eine präzise Kantenvorbereitung zum Laserstrahlschweißen ohne Zusatzwerkstoff
erforderlich. Als maximales Spaltmaß zwischen den Fügeteilen
wird ein Verhältnis von 1/10 der
Blechdicke angesetzt. Bei größeren Blechdicken darf der Fügespalt nicht größer als der halbe
Bild 10: Schweißen von Membranringen mit Nd:YAG-Laser
8
Fokusdurchmesser z.B. von
0,6 mm sein. Sollten größere
Spaltmaße unvermeidbar sein,
kann beim Laserstrahlschweißen
mit Zusatzdraht gearbeitet werden.
Die erreichbaren Schweißgeschwindigkeiten reduzieren sich
dabei um ca. 1/3 gegenüber der
Schweißgeschwindigkeit ohne
Zusatzdraht.
Bei höher legierten Edelstählen
kann eine Heißrißbildung beim
Schweißen auftreten. Dies kann
angewendet, wo eine Gefährdung
durch Spaltkorrosion (s. Abschnitt
2.2) nicht gegeben ist. Die beim
Schweißen entstehenden Anlauffarben sind ggf. zu entfernen.
(s. Abschnitt 6)
Bild 11: UP-Schweißen (Handbuch für das Unterpulverschweißen, Bild 1)
Die Oberfläche der zu verschweißenden Teile muß metallisch sauber sein. Beim Punktschweißen
hängen Größe und Form der
Schweißlinse wesentlich von
Stromstärke, Einschaltzeit des
Stromes und Elektrodenkraft ab.
Mit zunehmender Stromeinschaltdauer werden Höhe und Durchmesser der Schweißlinse größer;
in der Praxis werden kurze Stromzeiten bevorzugt. Wegen des
höheren elektrischen Widerstan-
durch Verwendung eines geeigneten Zusatzdrahtes oder durch
Vorwärmen verhindert werden.
3.1.4 Unterpulverschweißen
(UP)
Beim UP-Verfahren (vgl. Merkblatt
DVS 0917) brennt der Lichtbogen
zwischen Drahtelektrode und
Werkstück verdeckt in einer
Schlackenkaverne, die durch
Schmelzen des lose aufgeschütteten Pulvers entsteht (Bild 11).
UP-Schweißen ist nur in Wannenund Horizontalposition möglich,
mit Sondervorrichtung auch in
q-Position.
Üblicherweise wird die Drahtelektrode am Pluspol mit Gleichstrom
verschweißt. Je nach Wanddicke
beträgt der DrahtelektrodenDurchmesser zwischen 1,2 und
4 mm. Die Stromstärke wird etwa
10 bis 20% niedriger angesetzt als
bei den un- und niedriglegierten
Stählen.
3.2 Preßschweißverfahren
3.2.1 Widerstandspreßschweißen
Widerstandspreßschweißverfahren
(DVS-Merkblatt 2916 und 1609)
ermöglichen mit geringem Aufwand hochwertige Verbindungen
guter Reproduzierbarkeit.
Bild 12: Angaben für empfohlene Linsenabmessungen und die Eindrucktiefe
beim Punktschweißen
Dank der niedrigen elektrischen
Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit der austenitischen Stähle im
Vergleich zu den unlegierten
Stählen sind diese für das Widerstandsschweißen sehr gut geeignet. Wegen der geringen Wärmezufuhr wird die Oberfläche dabei
kaum beeinträchtigt. Ihre höhere
Wärmeausdehnung (siehe Tabelle 1)
kann sich aber nachteilig auf den
Verzug auswirken.
des der austenitischen Stähle
(s. Tabelle 1) werden niedrigere
Stromstärken angewendet als bei
unlegierten Stählen. Die Stromstärke ist so einzustellen, daß die
Höhe der Schweißlinse etwa 50%
der Dicke beider Blechquerschnitte beträgt und 80% nicht überschreitet (Bild 12). Zu hohe
Schweißströme können Spritzer
und damit Lunker in den Schweißlinsen verursachen.
Beim Punkt- und Rollennahtschweißen werden meist überlappt
angeordnete Bleche miteinander
verbunden, wobei ein ungeschweißter Spalt verbleibt. Die Verfahren werden bevorzugt dort
Im Vergleich zu unlegierten Stählen
werden zwei- bis dreimal höhere
Elektrodenanpreßdrücke benötigt.
Der Anpreßdruck muß auch nach
Abschalten des Stromes noch so
lange aufrechterhalten bleiben,
9
Blechdicke
Elektrode
Durchmesser Balligkeitsradius r
d
Elektroden
kraft F
Schweißstrom I
Stromzeit
Punktdurchmesser
Scherzugkraft
mm
mm
mm
kN
kA
Perioden
mm
kN
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
5
6
8
8
10
10
75
75
100
100
150
150
2,3
5,0
8,0
9,0
12,0
15,0
4,0
7,0
9,0
10,5
12,5
15,0
3
5
8
12
14
16
2,8
4,0
5,2
6,9
7,2
7,7
200
550
1000
1500
1900
2600
Tabelle 4: Richtwerte für die Maschineneinstellung zum Punktschweißen von austenitischen Stählen
bis die Schweißlinse erstarrt ist
(bei dünnen Blechen genügt eine
Nachpreßzeit von 0,5 s, bei 3 mm
Blechdicke von etwa 1 s).
Zum Punktschweißen der nichtrostenden Stähle werden Elektroden aus Kupferlegierungen mit
einer Warmhärte von mind. 70 HB
bei 400 °C verwendet. Es kommen
hierfür Elektroden aus CuCrZroder CuCrBe-Legierungen in
te Justierung erfordern wie Elektroden mit flachen Kontaktflächen.
Richtwerte für Maschinen-Einstelldaten in Abhängigkeit von der
Blechdicke enthält für austenitische Stähle Tabelle 4. Eine
Zusammenstellung von Schweißfehlern beim Punktschweißen und
deren Ursachen enthält Tabelle 5.
Richtwerte zum Rollennahtschweißen enthält Tabelle 6.
Das Rollennahtschweißen – kontinuierlich oder mit intermittierender
Beim Abbrennstumpfschweißen
werden die Kontaktflächen der
Werkstücke mehrmals kurzzeitig zur
Berührung gebracht und wieder
getrennt. Dabei findet an den Kontaktflächen ein Planbrennen statt,
wenn diese vor dem Schweißen
nicht exakt plan waren. Wenn sich
die Enden der Teile auf Fügetempe-
Einstellwerte
Schweißfehler
Schweißstrom
Oberflächenfehler (Anlegieren,
Aufschmelzung und dergleichen)
zu hoch
übermäßiges Eindrücken der
Elektroden in das Werkstück
zu hoch
Spritzen zwischen den Werkstücken
zu hoch
Klaffen der Werkstücke
zu hoch
zu große Schweißlinse
zu kleine Schweißlinse
Stromzeit
Elektrodenkraft
Elektrodendurchmesser
verunreinigt
zu niedrig
zu lang
Werkstückoberfläche
zu hoch
zu klein
zu niedrig
zu klein
zu lang
zu hoch
zu klein
zu hoch
zu lang
zu niedrig
zu niedrig
zu kurz
zu hoch
verunreinigt
Porosität
zu hoch
zu kurz
zu niedrig
verunreinigt
Risse
zu hoch
zu niedrig
verunreinigt
verunreinigt
Tabelle 5: Schweißfehler beim Punktschweißen und ihre möglichen Ursachen
Frage (Werkstoffe A3/1 oder A3/2
nach DIN 44759 und Merkblatt
DVS 1609, Abmessungen nach
DIN 44750). Elektroden mit balliger
Kontaktfläche werden bevorzugt
verwendet, weil sie keine so exak-
Blechdicke
Rollenbewegung (Schrittschweißen)
– kann mit balligen oder flachen
Elektrodenlaufflächen durchgeführt
werden. Die Elektrodenkraft bleibt
ständig aufrecht erhalten, der Strom
wird intermittierend eingeschaltet.
Rollenelektrode
Breite B
Radius R
ratur erwärmt haben, werden sie mit
hoher Geschwindigkeit zusammengepreßt. Der dabei entstehende
Stauchdruck bewirkt das Verschweißen der Enden, wobei Oxide
und ein Teil des Werkstoffes aus
Elektrodenkraft F
Schweißstrom I
Stromzeit
ts
mm
mm
mm
kN
kA
Periode
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
50
75
75
75
100
3,3
5,8
8,0
10,7
12,0
8,3
12,8
14,0
16,5
16,6
∞
3
4
4
5
SchweißStrompause
tp
geschwindigkeit
m/min
Periode
Tabelle 6: Richtwerte zum Rollennahtschweißen von austenitischen Stählen (Dichtnähte)
10
0
3
3
6
6
3,0
1,2
1,1
1,1
1,0
dem Schweißspalt herausgepreßt
werden. Die Spannkraft muß genügend groß sein, damit die Werkstücke in den Spannbacken nicht
rutschen (die Spannkraft soll das
1,5- bis 2-fache der Stauchkraft
betragen).
Für Edelstahl Rostfrei werden
etwas geringere Stromstärken,
aber etwas höhere Stauchdrücke
angewendet als für unlegierte
Stähle. Dementsprechend sind
auch die Spannkräfte für nichtrostende Stähle höher als für
unlegierte und niedriglegierte
3.2.2 Bolzenschweißen
Fügeverfahren haben sie folgende
Vorteile:
Beim Bolzenschweißen werden
stiftförmige Teile mit flächigen
Werkstücken durch Preßschweißen
verbunden. Die Verbindung erfolgt
im flüssigen oder plastischen
Zustand der Schweißzone. Das
Lichtbogen-Bolzenschweißen
hat die größte Bedeutung. Dabei
wird zwischen Bolzenspitze und
Werkstück ein Lichtbogen gezündet, der die Stirnflächen anschmilzt.
Nach Ablauf der Schweißzeit wird
der Bolzen in die Schmelze gedrückt, wodurch der Lichtbogen
- Das Bauteil muß nur von einer
Seite zugänglich sein, es entfallen Bohrungen, die zu Undichtigkeiten führen können.
- Es entsteht eine vollflächige Verschweißung mit hoher Belastbarkeit.
- Der große Durchmesserbereich
von 0,8 bis 25 mm und das Verarbeiten von Flachstiften mit
einem Seitenverhältnis von bis
zu 1:5 erlauben vielfältige
Anwendungen.
Kenngrößen beim Bolzenschweißen
Kenngröße
Hubzündungsbolzen- Kurzzeitbolzenschweißen mit
schweißen mit
Keramikring oder
Hubzündung
Schutzgas
KondensatorEntladungsbolzenschweißen
mit Hubzündung
Bolzenschweißen
mit Spitzenzündung
Nr. nach ISO 4063
783
784
785
786
Bolzendurchmesser d
(mm)
3 bis 25
3 bis 12
2 bis 8
2 bis 8
Spitzenstrom (A)
2500
1500
5000
8000
Schweißzeit (ms)
100 bis 2000
5 bis 100
3 bis 10
1 bis 3
Energiequelle
Schweißgleichrichter
oder -umformer
Schweißgleichrichter
Kondensator
Kondensator
Schweißbadschutz
Keramikring oder
Schutzgas
Ohne Schutz oder
Schutzgas
Ohne Schutz
Ohne Schutz
Bolzenwerkstoff
S 235, CrNi-Stahl,
(bis 12 mm)
S 235, CrNi-Stahl,
S 235, CrNi-Stahl,
Messing (mit Schutzgas) Messing, Kupfer
S 235, CrNi-Stahl,
Messing, Kupfer
Blechoberfläche
metallisch blank,
Walzhaut, Flugrost,
Schweißprimer
metallisch blank,
verzinkt, leicht geölt
metallisch blank,
leicht geölt
metallisch blank,
verzinkt
(Kontaktschweißen
bis M 6)
Mindestblechdicke
1/4 d,
bei Schutzgas 1/8 d
1/8 d
1/10 d
1/10 d
(ab ca. 0,5 mm)
Tabelle 7: Kenngrößen beim Bolzenschweißen
Stähle. Die Einstellwerte sind im
Vorversuch zu ermitteln. Weitere
Angaben zum Abbrennstumpfschweißen enthält Merkblatt
DVS 2901.
Das Buckelschweißen ist ein weiteres Widerstandspreßschweißverfahren, findet aber im Bauwesen
und Stahlbau kaum Anwendung; es
wird deshalb hier nicht behandelt.
Hinweise enthält das Merkblatt
DVS 2905.
erlischt und die Schmelze erstarrt.
Typische Verfahrensparameter
können der Tabelle 7 entnommen
werden.
Von den verschiedenen Varianten
des Lichtbogen-Bolzenschweißens
(Bild 13) werden vor allem das Hubzündungsbolzenschweißen mit
Keramikring oder Schutzgas, das
Kurzzeit-Bolzenschweißen mit Hubzündung und das Bolzenschweißen
mit Spitzenzündung industriell
eingesetzt. Gegenüber anderen
- Mit leichten Handpistolen kann
in allen Schweißpositionen gearbeitet werden.
- Durch die kurze Schweißzeit
kommt es zu nur geringem Einbrand und Verzug.
- Durch einen angestauchten
Flansch an der Bolzenspitze
kann die Schweißfläche vergrößert werden, so daß die
Festigkeit des Bolzens oder
des Grundwerkstoffes erreicht
wird.
11
Bolzen
Schutzgas
Keramikring
Werkstück
mit Hubzündung
und Schutzgas
mit Hubzündung
und Keramikring
Stützrohr
Die im Schweißgut zu erwartenden
Gefüge als Folge der Vermischung
der beiden Werkstoffe können mit
dem WRC-Diagramm abgeschätzt
werden (vgl. Punkt 2.1).
Stützrohr
Zündspitze
Kurzzeit ohne
Schweißbadschutz
mit Spitzenzündung
Bild 13: Die wichtigsten Verfahrensvarianten beim Lichtbogenbolzenschweißen
Die meisten Anwendungen gibt
es im Bauwesen (Stahl-Beton-Verbundbau, Fassaden), im Anlagenbau (Verankerung von feuerfesten
Isolierungen), im Apparatebau
(Befestigung von Flanschen und
Deckeln), im Schiffbau (Befestigung von Isolierungen und Ausbauelementen) sowie im Straßenund Schienenfahrzeugbau (Befestigung von Kabelbäumen, Rohrleitungen und Aggregaten).
Bei Bolzen ab 12 mm Durchmesser und Werkstückdicken über
etwa 3 mm wird fast ausschließlich
mit der Variante „Hubzündung mit
Keramikring“ geschweißt. Bei dünnen Blechen (auch unter 1 mm
Dicke) und hohen Ansprüchen an
das dekorative Aussehen der
Rückseite wird man der Variante
12
keit beim Bolzenschweißen ist
daher von Vorteil, da sie Ausscheidungsvorgänge (z.B. Karbidausscheidungen) verhindert. Die austenitischen Stähle sind auch gut
umformbar. Bei den austentitischen CrNi(Mo)-Stählen entsteht
im Schweißgut bis zu 10% DeltaFerrit; sie sind daher nicht heißrißgefährdet. Dagegen besteht bei
den höherlegierten vollaustenitischen Stählen die Gefahr der
Heißrißbildung im aufgeschmolzenen Schweißgut; ihre Eignung zum
Bolzenschweißen muß daher vorgeprüft werden. Eine Übersicht der
möglichen Werkstoff-Kombinationen, z.B. das Schweißen von
nichtrostenden Bolzen auf unlegierte oder niedrig legierte Bleche
(Schwarz-Weiß-Verbindungen)
enthalten Tabellen 8 und 9.
Für das Bolzenschweißen im bauaufsichtlichen Bereich sind die
Stähle gemäß der jeweils gültigen
Zulassung „Bauteile und Verbindungsmittel aus nichtrostenden
Stählen“ zulässig, die in ihrer aktuellen Fassung als Sonderdruck
SD 862 bei der Informationsstelle
Edelstahl Rostfrei bestellt werden
kann.
Für hohe Ansprüche an die
mechanische Festigkeit der Verbindung, auch für Schwarz-WeißVerbindungen, eignet sich besonders die Variante „Kurzzeit mit
Hubzündung“ (Tabelle 9).
Die Schweißbedingungen sind bei
den nichtrostenden Stählen sorgfältiger abzustimmen als bei den
unlegierten Stählen, weil der Toleranzbereich der Schweißparameter
enger ist. Auch die mögliche Blaswirkung ist zu beachten. Das
Schweißen unter Schutzgas (z.B.
82% Ar und 18% CO2) erweitert
den Toleranzbereich der Schweißparameter und ist besonders bei
Bolzendurchmessern über 16 mm
erforderlich.
Bolzenschweißen von nichtrostenden Stählen
Beim Bolzenschweißen von austenitischen nichtrostenden und
hitzebeständigen Stählen tritt
keine Gefügeumwandlung und
damit auch keine Aufhärtung ein.
Die hohe Abkühlungsgeschwindig-
Die umwandlungsfreien ferritischen Chromstähle haben einen
Kohlenstoffgehalt unter 0,1%, sind
mit zunehmendem Cr-Gehalt
(Cr 13 bis 24%) weniger verformungsfähig und neigen zur Grobkornbildung. Sie werden beim
Bolzenschweißen vorwiegend zur
„Kondensatorentladung mit Spitzenzündung“ den Vorzug geben
(Tabelle 8). Dabei ist allerdings der
Bolzendurchmesser auf 8, max.
10 mm begrenzt.
Bolzenwerkstoff
EN 288-3/
Gruppen 1, 2, 3, 4 und
Kohlenstoffstahl bis
0,30% C-Gehalt
S 235
1.4301
1.4303
a
a
Grundwerkstoff
EN 288-2/
EN 288-3/
Gruppen 1, 2, 3, 4 und
Gruppe 9
verzinkte und
metallbeschichtete
Stahlbleche, max.
Beschichtungsdicke
25 mm
b
a
b
a
Kupfer und
bleifreie
Kupferlegierungen
z.B. CuZn 37
b
b
Erläuterung der Buchstaben für die Schweißeignung:
a: gut geeignet für jede Anwendung, z.B. Kraftübertragung
b: geeignet mit Einschränkungen für Kraftübertragung
Erläuterung der Gruppen:
Gruppe 1: Stähle mit einer gewährleisteten Mindeststreckgrenze von ReH 360 N/mm2 und mit folgenden höchsten
Analysewerten in %:
C = 0,24 Si = 0,60 Mn = 1,60 Mo = 0,70 S = 0,045 P = 0,045
Andere Einzelelemente = 0,3
Alle anderen Legierungselemente zusammen = 0,8
Gruppe 2: Normalisierte oder thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle mit einer gewährleisteten Mindeststreckgrenze Re > 360 N/mm2
Gruppe 3: Vergütete Feinkornbaustähle mit einer gewährleisteten Mindeststreckgrenze Re > 500 N/mm2
Gruppe 4: Stähle mit Cr max. 0,75%, Mo max. 0,6%, V max. 0,3%
Gruppe 9: Austenitische nichtrostende Stähle
Tabelle 8: Schweißeignung von gängigen Grundwerkstoff/Bolzen-Kombinationen beim KondensatorentladungsBolzenschweißen mit Spitzenzündung
EN 288-3/
Gruppen 1 und 21)
Grundwerkstoff
EN 288-2/
Gruppen 4 und 5
EN 288-3/
Gruppen 9
S 235
4.8 (schweißgeeignet)
16 Mo 3
a
b
b 2)
X10CrAI18
X10CrAI24
X20CrNiSi25-4
c
c
a
1.4301
1.4303
1.4401
1.4541
1.4571
b(a)3)
b
a
Bolzenwerkstoff
Erläuterung:
Maximale Streckgrenze ReH 460 N/mm2
Nur beim Kurzzeit-Bolzenschweißen mit Hubzündung
Bis 10 mm Durchmesser und Schutzgas in Pos. PA
1)
2)
3)
Erläuterung der Buchstaben für die Schweißeignung:
a: gut geeignet für jede Anwendung, z.B. Kraftübertragung
b: geeignet mit Einschränkungen für Kraftübertragung
c: geeignet mit Einschränkungen nur für Wärmeübertragung
Erläuterung der Gruppen:
Gruppe 1: Stähle mit einer gewährleisteten Mindeststreckgrenze von ReH 360 N/mm2 und mit folgenden höchsten
Analysewerten in %:
C = 0,24 Si = 0,60 Mn = 1,60 Mo = 0,70 S = 0,045 P = 0,04
Andere Einzelelemente = 0,3
Alle anderen Legierungselemente zusammen = 0,8
Gruppe 2: Normalisierte oder thermomechanisch behandelte Feinkornbaustähle mit einer gewährleisteten
Mindeststreckgrenze Re > 360 N/mm2
Gruppe 4: Stähle mit Cr max. 0,75%, Mo max. 0,6%, V max. 0,3%
Gruppe 5: Stähle mit Cr max. 10%, Mo max. 1,2%
Gruppe 9: Austenitische nichtrostende Stähle
Tabelle 9: Schweißeignung von gängigen Grundwerkstoff/Bolzen-Kombinationen beim Hubzündungsbolzenschweißen
mit Keramikring oder Schutzgas und Kurzzeit-Bolzenschweißen mit Hubzündung
13
Kessel-und Feuerraumbestiftung
an unlegierten warmfesten Stählen
(z.B. 16Mo3, 13CrMo4 4) verwendet.
ausweichen, die an der Bolzenspitze ein dem Werkstück entsprechendes Zwischenstück
haben.
Bolzenschweißen von unlegiertem mit nichtrostendem Stahl
Bolzenschweißungen von unlegiertem mit austenitischen CrNiStählen (Schwarz-Weiß-Verbindungen) führen durch die Vermischung von ferritischen mit
austenitischen Werkstoffen zu
einem spröden Martensitgefüge
im Schweißgut. Sind die Anteile
von Bolzen- und Grundwerkstoff
im Schweißgut bekannt, kann im
Diagramm das zu erwartende
Gefüge ermittelt werden. Im allgemeinen liegt der Bolzenanteil in der
Schmelze bei 55 bis 60%.
Er ist abhängig vom Bolzendurchmesser, Blechdicke und Schweißbedingungen. Beim Kurzzeitbolzenschweißen mit Schutzgas liegt
er bei 65%. Durch Variation der
Arbeitsbedingungen allein kann
der Martensitbereich der Schmelze
nicht verlassen werden. Nur durch
ein starkes Auflegieren der Bolzenspitze wäre dies möglich. Dazu
kommt bei artfremden Schweißverbindungen eine Kohlenstoffdiffusion im Übergang vom kohlenstoffreichen (unlegierten) zum
kohlenstoffarmen (legierten) Werkstoff bzw. Schmelzbad. Dabei
entsteht immer eine sehr dünne
(ca. 0,05 mm) kohlenstoffreiche
Zone mit starker Aufhärtung. Die
Verbindung von unlegierten Bolzen
mit legiertem Werkstück ist dabei
besonders ungünstig. Sie führt
außerdem tiefer in den Martensitbereich als bei legierten Bolzen auf
unlegiertem Werkstück.
Das Hubzündungsbolzenschweißen mit Keramikring und Schweißzeiten über 100 ms eignet sich für
Bolzendurchmesser bis ca. 8 mm.
Bei größeren Bolzendurchmessern
können meist keine Schweißungen
ausreichender Festigkeit und
Umformungsfähigkeit erzielt werden. Da durch den (porösen)
Keramikring immer etwas Luftfeuchtigkeit vorhanden ist, die im
Lichtbogen in Wasserstoff und
Sauerstoff zerlegt wird, besteht die
Gefahr der wasserstoffinduzierten
Rißbildung. Man kann dann auf
reibgeschweißte Verbundbolzen
Schwarz-Weiß-Verbindungen im
Bauwesen sind durch den jeweils
gültigen Zulassungsbescheid
„Bauteile und Verbindungsmittel
aus nichtrostenden Stählen“ des
DiBt geregelt. Danach darf nur die
Kombination weißer Bolzen/schwarzer Grundwerkstoff verarbeitet werden. Der Bolzendurchmesser ist auf 10 mm begrenzt,
statt des Keramikringes muß
Schutzgas verwendet werden.
Ein Korrosionsangriff des schwarzen Teils ist durch eine Beschichtung zu vermeiden. Weitere Einzelheiten können der Zulassung entnommen werden. Damit hat man
z.B. die Möglichkeit, Glasfassaden
durch Bolzenschweißen rationell
zu erstellen, ohne daß nach kurzer
Zeit häßliche Rostfahnen entstehen.
14
Bei Bolzendurchmessern bis 12
mm ist es möglich, durch Kurzzeitbolzenschweißen mit Schutzgas
die Schmelzzone so schmal zu
halten, daß sich die spröde Martensitzone nicht auf die Verformungsfähigkeit und Festigkeit des
Bolzens auswirkt.
Beim Bolzenschweißen mit Kondensatorentladung sind durch die
größere Schweißfläche mit Flansch
und die sehr schmale Schmelzzone
(ca. 0,1 mm) Bedingungen gegeben, die zu brauchbaren SchwarzWeiß-Verbindungen führen.
4 Schweißzusätze
Für die in der Bauindustrie am
häufigsten zum Einsatz kommenden nichtrostenden austenitischen,
ferritischen und austenitischferritischen Stähle (s. Tabelle 1)
sind in der Tabelle 10 die empfohlenen Schweißzusätze aufgeführt.
4.1 Schweißzusätze für
austenitische Stähle
Während das Schweißen der Stähle mit den Werkstoff-Nrn. 1.4301
bis 1.4435 mit den artgleichen
Schweißzusätzen mit Deltaferritanteil unproblematisch ist, sind beim
Schweißen der stabilaustenitischen
Stähle besondere Maßnahmen zur
Vermeidung von Heißrißanfälligkeit
zu beachten (s. Abschnitt 5).
4.2 Schweißzusätze
für ferritischaustenitische Stähle
Der ferritisch-austenitische Stahl
1.4462 ist schweißtechnisch wie
die austenitischen Stähle mit
Ferritanteil zu behandeln. Das
Schweißen mit erhöhtem Wärmeeinbringen ist vorteilhaft.
4.3 Schweißzusätze für
ferritische Stähle
Ferritische nichtrostende Stähle
werden im allgemeinen mit austenitischen Schweißzusätzen
gefügt. Wenn eine Farbgleichheit
zwingend gefordert ist, sind ferritische Schweißzusätze vom Typ
X8CrTi18 zu verwenden; bei Mehrlagenschweißung nur für die Decklage (Hinweise zur Schweißausführung s. Abschnitt 5).
5
Vorbereiten und
Ausführen der
Schweißarbeiten
5.1 Schweißnahtvorbereitung
Die Nahtvorbereitung ist in Abhängigkeit vom Schweißverfahren,
von der Blechdicke und auch von
der Schweißposition festzulegen.
Die Wahl der Fugenformen kann in
Anlehnung an die jeweiligen DINNormen oder nach sonstigen Vorschriften erfolgen.
Zur Nahtkantenvorbereitung
werden mechanische oder thermische Trennverfahren angewendet.
Die mechanische Bearbeitung
erfolgt z. B. durch Scheren,
Hobeln, Fräsen und Schleifen,
Wasserstrahlschneiden. Als thermische Bearbeitungsverfahren
kommen das Plasmaschneiden
und das Laserstrahlschneiden in
Betracht.
Stahlsorte
Kurznamen
Werkstoff-Nummer
Legierungstyp des
Schweißzusatzes
X5CrNi18-10
1.4301
19 9 L
X6CrNiTi18-10
1.4541
19 9 L
19 9 Nb
X5CrNiMo17-12-2
1.4401
19 12 3 L
X6CrNiMoTi17-12-2
1.4571
19 12 3 L
19 12 3 Nb
X2CrNiMo18-14-3
1.4435
19 12 3 L
18 16 5 N L
X2CrNiMoN17-13-5
1.4439
18 16 5 N L
X1NiCrMoCu25-20-5
1.4539
20 25 5 Cu N L
X2CrNiMoN22-5-3
1.4462
22 9 3 N L
X2CrNi12
1.4003
18 8 Mn 1)
19 9 L
X6Cr17
1.4016
19 9 L
19 9 Nb
X3CrNb17
1.4511
19 9 Nb
19 9 L
18 8 Mn 1)
X2CrTi12
1.4512
19 9 L
18 8 Mn 1)
Zum Schweißen der Mo-freien Stähle 1.4301 und 1.4541 können allgemein auch die für die Mo-legierten Stähle 1.4401,
1.4571 und 1.4435 genannten Schweißzusätze angewendet werden.
1) mit abgesenktem C-Gehalt: C ≤ 0,10%.
1. Umhüllte Stabelektroden nach DIN EN 1600
Bezeichnung: z. B. E 19 12 3 L R oder E 19 12 3 L B.
R = rutilumhüllt, B = basisch umhüllt
2. Drahtelektroden, Drähte und Stäbe nach DIN EN 12072
Drahtelektrode mit Si ≤ 0,65% zum Schutzgasschweißen: z. B. G 19 12 3 L
Drahtelektrode mit Si > 0,65% bis 1,2% zum Schutzgasschweißen: z. B. G 19 12 3 L Si
Drahtelektrode mit Si ≤ 0,65% zum UP-Schweißen: z. B. S 19 12 3 L
Stab oder Draht mit Si ≤ 0,65% zum WIG-Schweißen: z. B. W 19 12 3 L
Stab oder Draht mit Si > 0,65% bis 1,2% zum WIG-Schweißen: z. B. W 19 12 3 L Si
3. Fülldrahtelektroden nach DIN EN 12073
a) schlackebildende Typen:
Kennzeichen R: rutil, langsam erstarrende Schlacke, für Positionen PA und PB
Kennzeichen P: rutil, schnell erstarrende Schlacke, für alle Schweißpositionen
b) schlackeloser Typ:
Kennzeichen M: Metallpulver
Bezeichnung für eine Fülldrahtelektrode mit schnell erstarrender Schlacke: z. B. T 19 12 3 L P M
M für Mischgas
Tabelle 10: Zuordnung von Legierungstyp des Schweißzusatzes zum Grundwerkstoff
15
Bei den thermisch geschnittenen
Nahtflanken ist es häufig notwendig, diese vor dem Schweißen
leicht zu überschleifen, um noch
vorhandene Oxidreste zu beseitigen. Zum Schleifen sind kunstharzgebundene Korundscheiben
(Fe- und S-frei) mit feiner Körnung
zu verwenden. Es ist zu beachten,
daß die verwendeten Schleifmittel
nicht vorher für die Bearbeitung
un- und niedriglegierter Stähle
benutzt wurden.
Bei allen nichtrostenden Stählen
hängt das Schweißergebnis
wesentlich von der Vorbereitung
zum Schweißen ab. Eine der wichtigsten Voraussetzungen ist die
Sauberkeit der Schweißnahtkanten. Diese müssen nicht nur metallisch blank, d. h. frei von Oxiden
und Zunder sein, sondern dürfen
auch keine Verunreinigungen
durch Fette, Öle oder andere
organische Stoffe aufweisen, die
zu Aufkohlungen und Einschlüssen
in den Schweißnähten führen
können.
Bei der mechanischen Reinigung
der Nahtkanten bzw. der Nahtumgebung dürfen nur Bürsten aus
nichtrostendem Stahl verwendet
werden. Für eine chemische Reinigung kommen zugelassene Lösemittel in Betracht.
Abhilfemaßnahmen sind:
- Wärmeabführung durch Kupferschiene,
- Schweißen mit niedriger
Streckenenergie,
- Schweißen in Vorrichtungen,
- Heften in kürzeren Abständen.
Folgende Heftabstände werden
empfohlen:
Blechdicke
mm
1,0 - 1,5
2,0 - 3,0
4,0 - 6,0
>6,0
Abstand zw. Heftstellen empfohlen
mm
20 - 40
50 - 70
70 - 100
100 - 150
Beim Heften und Schweißen wird
davon abgeraten, die Elektrode
außerhalb des Nahtbereichs zu
zünden, da die entstehenden
Zündstellen die Korrosionsbeständigkeit dort herabsetzen können.
Bei den vollaustenitischen Stählen
sollten die Heftstellen beschliffen
und ggf. von Endkraterrissen befreit werden.
Beim Schweißen einseitig zugänglicher Nähte ist die Wurzellage vor
Oxidation zu schützen. Dazu verwendet man inerte (Ar/He), reaktionsträge (N) oder reduzierende
(Ar + H2, N + H2) Schutzgase zur
Gegenspülung.
5.2 Schweißausführung
Beim Schweißen nichtrostender
austenitischer Stähle sind gegenüber den un- und niedriglegierten
Stählen die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zu beachten (s. Tabelle 1):
- der höhere Wärmeausdehnungskoeffizient,
- die niedrigere Wärmeleitfähigkeit,
- der größere elektrische Widerstand.
Diese Unterschiede beeinflussen
die Wahl des Schweißverfahrens
und die Ausführung der Schweißarbeiten. Der relativ hohe Wärmeausdehnungskoeffizient und die
niedrige Wärmeleitfähigkeit austenitischer Stähle wirken sich
besonders auf den Verzug beim
Schweißen aus.
16
In Abhängigkeit von Stahlsorte und
Wanddicke sind die Elektroden-/
Drahtdurchmesser und die entsprechenden Schweißparameter
zu wählen. Die Zwischenlagentemperatur sollte auf max. 150 °C
begrenzt werden.
Beim Schmelzschweißen der
vollaustenitischen Stahlsorten wie
1.4439 und 1.4539 ist besonders
beim zusatzlosen Schweißen
(dünne Wanddicken) die erhöhte
Heißrißgefahr zu beachten, d.h.
Schweißen mit begrenztem Wärmeeinbringen und Einhalten der
Zwischenlagen- und Arbeitstemperaturen.
Die ferritischen Stähle mit den
Werkstoff-Nrn. 1.4003, 1.4016,
1.4511 und 1.4512 verhalten sich
bezüglich der Wärmeausdehnung
etwa wie un- und niedriglegierte
Stähle. Im Vergleich zu den austenitischen Stählen sind sie jedoch
bis auf den Stahl 1.4003 in der
Wärmeeinflußzone wegen der Bildung von Grobkorn und Chromkarbidausscheidungen wesentlich
kritischer zu verarbeiten. Deshalb
sind die Schweißverbindungen mit
kleinstmöglichen Schmelzbädern
(kleine Elektrodendurchmesser,
niedrige Streckenenergie) auszuführen. Meistens werden austenitische Schweißzusätze wegen der
besseren Zähigkeitseigenschaften
in der Schweißverbindung verwendet.
Vor Beginn der Schweißarbeiten ist
es ratsam, die Verarbeitungsempfehlungen der Stahlhersteller und
Schweißzusatzwerkstoffhersteller
sowie die jeweiligen Normen
und Regelwerke (s. Abschnitt 11)
zu beachten.
6 Nachbehandlung
von Schweißverbindungen
Zur Erzielung bester Korrosionsbeständigkeit ist es erforderlich,
die Schweißnähte und die beeinflußten Zonen grundsätzlich von
Schlackenresten, Schweißspritzern, Anlauffarben oder anderen
Oxidationsprodukten zu reinigen.
Die Behandlung kann durch
Bürsten, Schleifen, Polieren,
Strahlen oder Beizen erfolgen.
Je feiner und glatter die Oberfläche, desto größer ist die Korrosionsbeständigkeit.
6.1 Bürsten
Zum Bürsten sind handelsübliche
nichtrostende Stahlbürsten zu
benutzen, die vorher nicht zur
Reinigung anderer Werkstoffe verwendet wurden. Das Bürsten kann
ausreichend sein, wenn sich dadurch vorhandene Oxidschichten
und Schlackenreste völlig beseitigen lassen und eine metallisch
blanke, saubere Oberfläche erzielt
wird.
Hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit erfordern ein
anschließendes Beizen und ggf.
Passivieren.
6.2 Schleifen und Polieren
Beim Beschleifen von Schweißnähten ist zu beachten, daß die
Schleifwerkzeuge eisenfrei sind
(Fremdrostgefahr) und nur für die
Bearbeitung nichtrostender Stähle
eingesetzt werden. Die verwendete
Körnung richtet sich nach dem
jeweiligen Anwendungsfall und
sollte beim Fertigschliff üblicherweise bei 180 bis 240 (und feiner)
liegen. Es darf nicht mit zu hohem
Anpreßdruck gearbeitet werden.
Nach Beendigung der Schleifarbeiten dürfen keine Anlauffarben und
grobe Schleifriefen zurückbleiben.
Besonders glatte Oberflächen werden durch mechanisches Polieren
oder Elektropolieren erzielt. In Sonderfällen, z.B. bei Gefahr von
Spannungsrißkorrosion in chloridhaltigen Medien, sollte nach dem
Schleifen gebeizt werden.
6.3 Strahlen
Beim Strahlen werden als Strahlmittel nichtrostender Stahl, Quarzsand, Glasperlen oder andere
eisenfreie synthetische oder mineralische Strahlmittel verwendet.
Die entstehende metallisch blanke,
angerauhte Oberfläche sollte
anschließend bei hohen Anforderungen an die Korrosionssicherheit
gebeizt, ggf. passiviert werden.
6.4 Beizen
Vor dem Beizen sind grobe Verunreinigungen sowie Fett und Ölreste
vollständig zu entfernen. Das Beizen kann durch Tauchbeizen,
Sprühbeizen oder Beizen mit Beizpaste oder Beizgel erfolgen. Im
einzelnen sind die Empfehlungen
der Beizmittellieferanten zu beachten.
Nach dem Beizen ist eine sorgfältige Spülung mit Wasser vorzunehmen. Es ist darauf zu achten, daß
keine Beizmittelrückstände z.B. in
Spalten verbleiben, da diese Korrosionsschäden auslösen können.
Damit das mit Beize kontaminierte
Spülwasser nicht ungeklärt in die
Kanalisation gelangt, kann die
gebeizte Schweißnaht mit einer
Neutralisationspaste behandelt
werden. Nachdem sich in dem
aufgefangenen Spülwasser die
Rückstände abgesetzt haben,
kann das geklärte Wasser in die
Kanalisation abfließen. Die Rückstände müssen (als Sondermüll)
separat entsorgt werden.
Bei hohen Anforderungen an die
Korrosionsbeständigkeit kommt
als Endbehandlung eine Passivierung in ca. 20%iger Salpetersäure
in Betracht. Auch nach dem Passivieren ist eine sorgfältige Reinigung mit Wasser notwendig.
7 Artverschiedene
Schweißverbindungen
Für Schmelzschweißverbindungen
zwischen artverschiedenen Grundwerkstoffen wird der Schweißzusatz so ausgewählt, daß die
Schweißnaht die an die Grundwerkstoffe gestellten Anforderungen erfüllt. Als Schweißverfahren
werden hierfür vorwiegend das
Lichtbogenhand- und Schutzgasschweißen eingesetzt.
Sind zwei unterschiedliche nichtrostende austenitische Stähle
durch Schmelzschweißen miteinander zu verbinden (z.B. 1.4301
mit 1.4401), dann genügt im allgemeinen der für den weniger hoch
legierten Grundwerkstoff geeignete artgleiche Schweißzusatz.
Verbindungen zwischen einem
austenitischen Stahl und dem ferritisch-austenitischen Stahl 1.4462
können mit den Schweißzusatztypen 22 9 3 N L oder 19 12 3 L
ausgeführt werden.
Für Verbindungen von austenitischem Stahl mit ferritischem
Chromstahl oder mit un- und niedriglegiertem Stahl mit nichtrostenden Stählen - letztere auch als
„Schwarz-Weiß-Verbindungen“
bezeichnet - haben sich in der Pra-
xis die in Tabelle 11 aufgeführten
Schweißzusätze bewährt. Für
Verbindungen zwischen dem ferritisch- austenitischen Stahl 1.4462
und un- bzw. niedriglegierten
Stählen sind sowohl die Schweißzusätze nach Tabelle 11 als auch
der Duplexschweißzusatz 22 9 3 N L
geeignet.
Die Schweißzusätze sind in ihren
Legierungsgehalten so abgestimmt, daß kein rißempfindliches
Gefüge in der Naht entsteht, wenn
das Verhältnis der aufgeschmolzenen Grundwerkstoffanteile zu dem
abgeschmolzenen Schweißzusatz
(Aufschmelzgrad) entsprechend
begrenzt wird.
Für artverschiedene Verbindungen
im bauaufsichtlichen Bereich dürfen Schweißzusätze und Schweißhilfsstoffe (z.B. Schutzgas,
Schweißpulver) nur dann verwendet werden, wenn sie von einer
hierfür bestimmten Stelle, z.B. vom
Bundesbahn-Zentralamt Minden,
zugelassen wurden.
Zur Auswahl des geeigneten
Schweißzusatzes und zu schweißtechnischen Besonderheiten
gibt das in Bild 1 dargestellte
Schaeffler-Diagramm Hinweise.
Auf graphische Weise wird darin
für eine Mischverbindung
zwischen einem allgemeinen Baustahl (z.B. St 52-3) und 1.4571 am
Beispiel der Wurzelschweißung
gezeigt, welche Zusammensetzung und welches Gefüge in der
Schweißnaht zu erwarten sind:
Werden beide Stähle ohne
Schweißzusatz miteinander verschweißt und nimmt man an, daß
die Naht aus gleichen Anteilen der
beiden Grundwerkstoffe besteht,
so erhält man den Punkt X in Bild
1. Aus dem Diagramm ist zu ersehen, daß ein vollmartensitisches
Schweißnahtgefüge entsteht, das
wegen seiner hohen Härte und
Rißempfindlichkeit nicht erwünscht
ist. Punkt Y gilt für den SchwarzWeiß-Zusatztyp 23 13 2 bzw.
23 12 L (s. Tabelle 11). Das zu
erwartende Schweißnahtgefüge
läßt sich jetzt auf der Verbindungslinie X-Y in Abhängigkeit vom
Aufschmelzgrad ablesen. Für
einen Aufschmelzgrad von
17
Schweißzusatztyp
Stabelektrode
(DIN EN 1600)
Für geringen Aufschmelzgrad
20 10 3
E 20 10 3 L
Drahtelektrode
Schweißstab 1)
(DIN EN 12072)
Fülldrahtelektrode
(DIN EN 12073)
G 19 12 3
18 8 Mn
Für höheren Aufschmelzgrad
23 13 2
E 18 8 Mn
G 18 8 Mn
E 23 13 2
G 23 13 2
23 12 L
E 23 12 L
G 23 12 L
20 16 3 MnL
E 20 16 3 MnL
G 20 16 3 MnL
T 18 8 Mn
T 23 12 L
1)
Zur Bezeichnung gelten die Bemerkungen zu Tabelle 10
Tabelle 11: Schweißzusätze für artverschiedene Verbindungen
z.B. 25% erhält man Austenit mit
etwa 10% Ferrit, eine Gefügezusammensetzung, die angestrebt
wird.
In gleicher Weise kann man mit
den in Tabelle 11 aufgeführten
Schweißzusätzen nach DIN 12072
und DIN 12073 vorgehen. Dabei
ist zu erkennen, daß die Legierungstypen 20 10 3 und 18 8 Mn
nur für geringe Aufschmelzgrade
verwendet werden sollten, damit
keine spröden martensitischen
Gefügeanteile in der Naht entstehen. Für höhere Aufschmelzgrade sind die beiden anderen
Legierungsgruppen geeignet.
8 Schweißen auf
der Baustelle
Neben der Fertigung von Bauteilen,
Behältern und Anlagen in der
Werkstatt ist es erforderlich,
Schweißarbeiten auf der Baustelle
unter erschwerten Bedingungen
auszuführen. In großem Umfang
sind Baustellenschweißungen im
Rohrleitungsbau - überwiegend an
unlegierten Stählen - üblich und
erforderlich. Nichtrostende Stähle
werden beim Bau von Chemieanlagen und Raffinerien auf der Baustelle geschweißt, ebenso im
Stahlbau, z. B. bei der Errichtung
von Großbehältern. Vorwiegend
wird auf der Baustelle mit der Elektrodenhandschweißung gefügt,
aber auch Schutzgasverfahren,
wie WIG und MAG (s. Abschnitt
3.1.2) eingesetzt.
Die Baustellenbedingungen, insbesondere die Wetterverhältnisse,
können das Schweißen schwieriger gestalten als die eigentlichen
Fügearbeiten an nichtrostenden
Stählen. Dies gilt für alle Verfahren,
besonders aber für das Schutzgasschweißen. Baustellenschweißungen verlangen auch häufiger
als in der Werkstatt das Schweißen
in Zwangspositionen (waagerecht
an senkrechter Wand, Fallnähte,
Steignähte, Überkopfnähte).
Bild 14: WIG-Schweißen auf der Baustelle
18
Es ist dafür zu sorgen, daß der
Schweißer einen sicheren und
festen Standplatz hat und die
Schweißstelle weitgehend vor
Zugluft und Nässe geschützt wird.
Bei der Elektrodenhandschweißung müssen die umhüllten Elek-
troden trocken verschweißt werden, um Porenbildung durch
Feuchtigkeit zu vermeiden. Zugluft
beeinträchtigt vor allem das
Schutzgasschweißen.
Die vorbereiteten Nahtstellen sind
vor Schweißbeginn auf Sauberkeit
und metallisch blanke Oberfläche
zu prüfen und gegebenenfalls mit
Schleifmitteln, Bürsten und dergleichen nachzureinigen. Auch ein
erneutes Entfetten kann notwendig
sein. Nach dem Schweißen sind
Anlauffarben auf und neben der
Naht zu entfernen; hierfür kommen
die gleichen Hilfsmittel in Frage.
Alle diese Arbeiten muß der
Schweißer vor Ort ausführen und
dafür die geeigneten Arbeitsmittel
griffbereit haben. An seine Zuverlässigkeit werden erhöhte Anforderungen gestellt. Wenn diese Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden, lassen sich nichtrostende
Stähle auf der Baustelle einwandfrei schweißen.
9 Schweißaufsicht,
Eignungsnachweise
Über zugelassene Werkstoffe und
Verfahren trifft die jeweils gültige
bauaufsichtliche Zulassung „Bauteile und Verbindungselemente aus
nichtrostenden Stählen“ des DIBt
Deutschen Instituts für Bautechnik,
Berlin, detaillierte Aussagen. Der
Sonderdruck ist bei der Informationsstelle Edelstahl Rostfrei unter
der Bestell-Nr. SD 862 kostenfrei
zu beziehen.
9.1 Gütesicherung der
Schweißarbeiten,
Anforderungen an die
Betriebe
Schweißarbeiten an tragenden
Bauteilen und Konstruktionen aus
nichtrostenden Stählen dürfen nur
von Betrieben vorgenommen
werden, die einen entsprechenden
Nachweis erbracht haben. Als
Nachweis gilt im allgemeinen der
Große Eignungsnachweis nach
DIN 18 800 Teil 7.
Sofern Schweißarbeiten nur an
einfachen, serienmäßigen Bauteilen, Verankerungs- oder Verbindungsmitteln vorgenommen werden, genügt der Kleine Eignungsnachweis mit Erweiterung auf
nichtrostende Stähle.
10 Schrifttum
Die Bescheinigung über die Eignung der Betriebe wird von den
anerkannten Stellen erteilt. Sie
kann ggf. auf das Schweißen von
nichtrostenden Stählen begrenzt
werden.
H. Ornig / M. Richter:
„WRC-1992-Diagramm löst
DeLong-Diagramm ab“,
in: Schweißen und Schneiden
(1997) S. 467-469
9.2 Voraussetzungen für
den Eignungsnachweis
zum Schweißen nichtrostender Stähle
Abgesehen von den notwendigen
Einrichtungen für Schweißarbeiten
und den Gutachten für die o.g.
Schweißverfahren muß der Betrieb
als Schweißaufsichtsperson
- für den Großen Eignungsnachweis über einen Schweißfachingenieur
- für den Kleinen Eignungsnachweis über einen Schweißfachmann verfügen.
Für die Ausführung der Schweißarbeiten dürfen nur geprüfte
Schweißer eingesetzt werden.
Für das Anschweißen von nichtrostenden Stählen an Betonstähle
gilt DIN 4099 in Verbindung mit
den Bestimmungen des Zulassungsbescheids des DIBt.
9.3 Schweißerprüfung für
nichtrostende Stähle
Die generellen Anforderungen für
die Prüfung von Stahlschweißern
sind in DIN EN 287 Teil 1 (früher
DIN 8650 Teil 1) festgelegt.
J. Lefebre:
Guidance on Specifications of
Ferrite in Stainless Steel Weld
Metal, in: Welding in the World 31
(1993) S. 390-406
F.W. Strassburg / H. Wehner:
Schweißen nichtrostender
Stähle, Verlag für Schweißen und
verwandte Verfahren DVS-Verlag
GmbH, Düsseldorf 2000
W. Welz:
Bolzenschweißen mit hochlegierten Stählen,
Hg. Studiengesellschaft Stahlanwendung e.V., Düsseldorf 1987
(Forschung für die Praxis P 133).
Edelstahl Rostfrei - Eigenschaften,
Hg. Informationsstelle Edelstahl
Rostfrei, Düsseldorf 1997
(MB 821)
Nichtrostende Stähle Eigenschaften, Verarbeitung,
Anwendung, Normen, Hg. Verlag
Stahleisen, Düsseldorf 1989
Die Verarbeitung von Edelstahl
Rostfrei,
Hg. Informationsstelle Edelstahl
Rostfrei, Düsseldorf 2000
(MB 822)
Allgemeine bauaufsichtliche
Zulassung Z-30.3-6
vom 3. August 1999
„Bauteile und Verbindungselemente aus nichtrostenden
Stählen“ des DIBt,
Hg. Informationsstelle Edelstahl
Rostfrei, Düsseldorf 2000
(SD 862)
Nichtrostende Stähle sind in den
Werkstoffgruppen
- W 04 (nichtrostende ferritische
oder martensitische Stähle mit
12 - 20% Cr) und
- W 11 (rostfreie ferritisch-austenitische oder austenitische
Cr-Ni-Stähle) erfaßt.
19
Die nachstehend aufgeführten
Merkblätter DVS können bezogen
werden bei
11 Normen und
Regelwerke
Verlag für Schweißen und
verwandte Verfahren
DVS-Verlag GmbH
Aachener Str. 172
40223 Düsseldorf
Tel. 02 11/15 91-0
Fax 02 11/15 91-1 50
Internet: www.dvs-verlag.de
Die nachstehend aufgeführten
Normen können bezogen werden
bei
Beuth Verlag GmbH
Burggrafenstr. 6, 10787 Berlin
Tel. 0 30/26 01-0,
Fax 0 30/26 01-2 32
Internet: www.beuth.de
Merkblatt DVS 0504
Transport, Lagerung und
Rücktrocknung umhüllter
Stabelektroden
DIN 1910-2, Ausgabe: 1977- 08
Schweißen; Schweißen von
Metallen, Verfahren
Merkblatt DVS 0901
Bolzenschweißen für Metalle Übersicht
DIN 1910-4, Ausgabe: 1991-04
Schweißen; Schutzgasschweißen,
Verfahren
Merkblatt DVS 1609
Widerstandspunktschweißen
von hochlegierten Stählen im
Schienenfahrzeugbau
DIN EN 439, Ausgabe: 1995-05
Schweißzusätze - Schutzgase
zum Lichtbogenschweißen und
Schneiden
Merkblatt DVS 0917
Unterpulverschweißen austenitischer Stähle
DIN EN 1600, Ausgabe: 1997-10
Schweißzusätze - Umhüllte
Stabelektroden zum Lichtbogenhandschweißen von nichtrostenden und hitzebeständigen
Stählen - Einteilung
Merkblatt DVS 0920
Wolfram-Inertgasschweißen.
Allgemeine Übersicht
Merkblatt DVS 2905
Buckelschweißen von unlegiertem
Stahl bis 3 mm Blechdicke
Merkblatt DVS 2916
Prüfen von Punktschweißen
DIN EN 12072,
Ausgabe: 2000-01
Schweißzusätze - Drahtelektroden,
Drähte und Stäbe zum Lichtbogenschweißen von nichtrostenden und hitzebeständigen
Stählen - Einteilung
DIN EN 12073,
Ausgabe: 2000-01
Schweißzusätze - Fülldrahtelektroden zum Metall-Lichtbogenschweißen mit oder ohne Gasschutz von nichtrostenden und
hitzebeständigen Stählen Einteilung
DIN EN 760, Ausgabe: 1996-05
Schweißzusätze - Pulver zum
Unterpulverschweißen Einteilung
DIN EN 10088-1,
Ausgabe: 1995-08
Nichtrostende Stähle Teil 1: Verzeichnis der nichtrostenden Stähle
20
Informationsstelle Edelstahl Rostfrei
Postfach 10 22 05
40013 Düsseldorf
www.edelstahl - rostfrei.de